KR100913553B1 - 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를갖는 투명전극 기판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판에 관한 것으로, TFT-LCD 소자와 디스플레이의 구동을 위해 필요한 전극재료로 활용되고 있는 ITO(In2O3:SnO2)를 대체하기 위해 연구되는 XZO(X : Al, Ga, In doped ZnO) 투명전도막 중, Al을 전하운반자인 불순물(dopant)로 첨가한 AZO(Al doped ZnO)을 이용한 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판에 관한 것이다. 산화아연을 주성분으로 하는 투명전극재료를 건식법(진공증착법 또는 스퍼터링법)으로 형성시키는 구조에 있어서, 모재(10)를 폴리머로 사용하고, 상기 모재(10)와 산화아연 물질의 투명전도막(30) 사이에 세라믹재료로 중간층(20)을 형성시키는 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판으로 구성된다. 따라서, 본 발명은 폴리머 기판과 세라믹 투명전도막(AZO)과의 기계적인 밀착력을 향상시켜 수명을 증가시키고, 폴리머 기판으로부터 투명전도막으로 확산침투되는 가스를 차단하는 효과가 있다.
폴리머 기판, 투명전도막, 세라믹 중간층
Description
도 1은 본 발명에 따른 중간층 구조를 갖는 폴리머 기판과 AZO 투명전도막의 구성상태를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 중간층을 형성하지 않은 구조와 형성시킨 구조에 있어서 박막의 밀착강도를 비교 평가한 결과도.
도 3은 본 발명에 따른 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 중간층을 형성하지 않은 구조와 형성시킨 구조에 있어서 기판 및 박막부를 통한 산소가스 확산침투 현상의 결과도.
도 4는 본 발명에 따른 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 중간층을 형성한 구조의 전기적 특성(면저항) 유지성능을 비교한 결과도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 모재 20 : 중간층
30 : 투명전도막
본 발명은 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 TFT-LCD 소자와 디스플레이의 구동을 위해 필요한 전극재료로 활용되고 있는 ITO(In2O3:SnO2)를 대체하기 위해 연구되는 XZO(X : Al, Ga, In doped ZnO) 투명전도막 중, Al을 전하운반자인 불순물(dopant)로 첨가한 AZO(Al doped ZnO)을 이용한 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판에 관한 것이다.
상기 AZO(Al doped ZnO)형 투명전도막은 반도체인 ZnO에 미량의 Al을 첨가하여 산소의 과잉 Vacancy(공간)을 형성시킨 N형 반도체의 일종으로, 기존 재료인 ITO(In2O3:SnO2)의 주성분인 In의 가격폭등에 따른 저가형의 대체 재료로서 매우 유망시 되고 있으며, 특히 디스플레이 전반과 기타 소자(태양전지 등)에의 확장적용 가능성도 매우 높아 많은 연구가 진행되고 있다.
상기 AZO(Al doped ZnO) 투명전도막은 물리적인 증착법인 진공증착법 또는 스퍼터링법을 통해 제작되고 있으며, 전도막의 두께는 일반적으로 500 ~ 1500nm(0.5 ~ 1.5 마이크로미터) 범위의 두께를 갖는다.
상기 AZO(Al doped ZnO) 투명전도막은 특히 차세대 디스플레이로 주목을 받고 있는 플렉시블(Flexible)형에서의 적용이 매우 기대되고 있으며, 상기 플렉시 블(Flexible)형 디스플레이의 완성을 위해서는 폴리머 재질(PES, PC, PET 등)과의 정합성이 선결되어야 한다.
이는 고정형 디스플레이 경우 사용되는 유리기판이나 Si wafer기판과는 달리 휘어짐이 가능한 기판이 사용되어야 하는 이유에 따른 것으로, 상황에 따라 휘어짐과 펴짐이 반복되는 폴리머 기판과 세라믹 투명전도막(AZO)과의 기계적인 밀착력 유지 및 폴리머 표면에 흡착되어 있는 다량의 가스(특히 산소 및 습기)로부터 Dopant(반도체에 첨가하는 미세한 불순물) 원소가 반응하여 전기적 물성이 저하되지 않도록 하는 물리적인 보호기능이 무엇보다 요구된다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 ZnO를 주성분으로 하는 투명전도막을 폴리머 재질의 기판에 물리적인 방법을 이용하여 코팅 제조하여 사용할 때 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폴리머 기판과 세라믹 투명전도막(AZO)과의 기계적인 밀착력을 향상시켜 수명을 증가시키는 효과 즉, 서로 성질이 매우 상이한 폴리머 기판과 세라믹 투명전도막(AZO)과의 사이에 두 물질과의 물리적 접착성능이 비교적 우수한 중간층이 형성되어 사용환경의 경과에 따라 휘어짐과 펴짐이 반복되는 조건에서 투명의 전도막이 기판으로부터 분리되거나, 크랙(crack)이 발생하는 현상을 억제시키는 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적으로는 폴리머 기판으로부터 투명전도막으로 확산침투되는 가스를 차단하는 효과 즉, 폴리머의 표면에 흡착되어 있는 다량의 가스(특히 산 소 및 습기)가 사용시간의 경과에 따라 부착되어 있는 투명전도막으로 확산되어 주요 성분인 Al dopant와 반응하여 전기적 물성이 저하(전기저항의 상승)되지 않는 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판을 제공한다.
목적을 달성하기 위한 구성으로는,
산화아연을 주성분으로 하는 투명전극재료를 건식법(진공증착법 또는 스퍼터링법)으로 형성시키는 구조에 있어서, 모재를 폴리머로 사용하고, 상기 모재와 산화아연 물질의 투명전도막 사이에 세라믹재료로 중간층을 형성시키는 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판으로 구성된다.
본 발명의 다른 특징으로서, 상기 모재는 100 ~ 300㎛ 두께범위의 폴리에테르술폰(Poly Ether Sulfone; PES) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalte; PET) 물질로 구성된다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 중간층의 세라믹재료는 이산화규소(SiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 물질로 구성된다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 중간층의 세라믹재료 두께는 0.05 ~ 1.0㎛(= 50 ~ 1000nm)의 범위로 형성된다.
도 1은 본 발명에 따른 중간층 구조를 갖는 폴리머 기판과 AZO 투명전도막의 구성상태를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 폴리머 기판과 AZO 투명전 도막 사이에 중간층을 형성하지 않은 구조와 형성시킨 구조에 있어서 박막의 밀착강도를 비교 평가한 결과도이고, 도 3은 본 발명에 따른 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 중간층을 형성하지 않은 구조와 형성시킨 구조에 있어서 기판 및 박막부를 통한 산소가스 확산침투 현상의 결과도이고, 도 4는 본 발명에 따른 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 중간층을 형성한 구조의 전기적 특성(면저항) 유지성능을 비교한 결과도이다.
이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판의 구성을 나타낸 것으로써, 산화아연을 95중량%로 하며, 전하운반을 위한 불순물(dopant)로서 알루미늄(Al)을 5중량%로 하는 투명전극재료를 건식법(진공증착법 또는 스퍼터링법)으로 형성시키는 구조에 있어서, 모재(10)를 폴리머로 사용하고, 상기 모재(10)와 산화아연 물질의 투명전도막(30) 사이에 세라믹재료로 중간층(20)을 형성시키는 구성이다.
물리적 방법에 의해 AZO박막을 형성시키는 기술은 진공증착법과 스터퍼링법을 사용하는 것이 일반적으로, 본 발명에 있어서의 금속재료에 의한 중간층(20)은 양 방법에 의해 제작이 가능하다.
상기 진공증착법에 의한 모재(10) 성막의 경우, 사전 장입한 고형의 폴리에테르술폰(Poly Ether Sulfone; PES) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalte; PET) 등의 100 ~ 300㎛ 두께범위를 갖는 폴리머 소재 표면에 저항 가열식 혹은 전자빔 가열에 의해 중간층(20) 구조로서의 이산화규소(SiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 물질을 증발시켜 모재(10) 표면에 증착시킨 후 증착이 완료되면, AZO 물질의 투명전도막(30)을 증착한다. 이 경우 중간층(20) 구조의 물질은 상기 이산화규소(SiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 등이 유효하며, 두께로는 0.05 ~ 1.0㎛(= 50 ~ 1000nm)의 범위에 걸쳐 가변 적용될 수 있다.
상기와 같은 방법에 의해 도 1의 모재(10) 상부에 세라믹재료의 중간층(20)과 AZO 투명전도막(30) 박막이 순차적으로 형성되게 된다.
상기 스퍼터링법에 의한 박막의 형성에 있어서도 세라믹재료의 중간층(20)과 AZO의 투명전도막(30)을 포함하는 형성 순서와 물질, 그리고 그 두께는 상기한 진공증착법의 경우와 동일하게 적용된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판은 폴리머 기판과 세라믹 투명전도막(AZO)과의 기계적인 밀착력을 향상시켜 수명을 증가시키는데, 도 2와 같이 폴리머기판에 AZO 박막을 형성시키는 기본 구조에 있어서 두 재료 사이에 본 발명에서 제안한 중간층(20)을 구성시킨 후 폴리머 기판과 투명전극재료와의 결합력을 비교 평가하였다.
평가방법으로는 Acoustic emission 분석법을 활용하였고, 이는 일정 Loading rate(1N/㎜)하에서 압자가 박막의 표면을 압착이동하는 경우에 압자의 종축을 통해 박막이 전달하는 음향반응의 변화치(예, 박막의 박리시 발생하는 음향피크)를 확인하여 판단하는 기법이다.
상기와 같이 폴리머 기판과 세라믹 투명전도막(AZO)과의 기계적인 밀착력을 향상시켜 수명을 증가시키는 효과를 확인하고자 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 별도의 중간층을 형성시키지 않은 시료와, 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 SiO2계열의 중간층을 형성시킨 시료 및 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 Al2O3계열의 중간층을 형성시킨 시료를 제작하여 상기 Acoustic emission 분석법을 실시하여 도 2(a) 내지 도 2(c)와 같은 값을 얻을 수 있다.
도 2(a)는 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 별도의 중간층을 형성시키지 않은 시료의 결과 값이고, 도 2(b)는 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 SiO2계열의 중간층을 형성시킨 시료의 결과 값이고, 도 2(c)는 폴리머 기판과 AZO 투명전도막 사이에 Al2O3계열의 중간층을 형성시킨 시료의 결과 값이다.
모든 실시예는 2회의 실험을 실시하여 재현성의 일치여부를 확인하였으며, 도 2(a)의 경우 동일하중 압자의 표면 압착이동시 비교적 짧은 길이(약 1.2㎜ 내외)에서 박막이 기판으로부터 분리되어 파괴됨이 확인되었으나, 본 발명에 의한 도 2(b)의 경우 약 2배 이상의 길이(2.4㎜ 내외)까지 박막이 폴리머 기판으로부터 분리되지 않고 유지됨이 확인되었고, 또한 본 발명에 의한 도 2(c)의 경우 약 3배에 가까운 길이(3.5㎜ 내외)까지 투명전도막이 폴리머 기판으로부터 박리되지 않고 유지됨이 확인되었다.
또한, 본 발명은 폴리머 기판으로부터 투명전도막으로 확산침투되는 가스를 차단시키는데, 일반적인 기판으로 사용되는 폴리머(PES, PET 등)는 사출공정을 통 해 제작되는 것으로 용융 및 응고과정을 거침에 따라 표면의 정전기에 의해 다수의 기체흡착이 확인되고 있으며, 이 가스 성분은 후속공정, 특히 박막에 해당하는 매우 얇은 물질을 형성시킬 경우, 표면에 흡착되어 있는 다량의 가스(특히 산소 및 습기)가 사용시간의 경과에 따라 부착되어 있는 투명전도막으로 확산침투되어 주요 성분인 미량의 Al dopant와 반응하여 전기적 물성을 저하(전기저항의 상승)시키는 원인이 된다.
본 발명에서는 상기와 같은 현상을 억제하기 위해 중간층을 형성시킨 후에 이의 효과를 확인하고자 가스침투 실험을 실시하였으며, 이는 밀폐된 공간의 중간층에 폴리머 기판을 설치하여 공간을 2개로 분리한 후, 양 공간을 진공처리하고 한쪽 공간에 산소가스를 주입하여 산소가스가 폴리머 기판을 투과하여 반대편 공간으로 이동함을 반대편 공간에 삽입하여 놓은 산소 센서로서 확인하는 방법(oxygen transmission rate testing)이다.
도 3을 통해 확인하는 바와 같이 중간층을 형성하지 않은 경우에 있어서, 폴리머 기판(+ AZO)을 통해 산소가스가 반대편 공간으로 침투하는 속도는 약 50시간 경과 후 현저히 증가함을 알 수 있으나, SiO2와 Al2O3를 형성한 실시예에 있어서는 산소가스의 침투속도가 현저히 감소함을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예가 투명전도막의 전기적특성(면저항)에 어떠한 영향을 미치는가를 조사하여 도 4에 표기하였는데, 상기 도 4는 중간층을 형성하지 않은 시료와 중간층으로 SiO2와 Al2O3를 형성시킨 시료를 각각 제작하여 투명전도막을 형성시 킨 후, 섭씨 500도의 환경(가혹조건)에서 소정의 열처리를 실시한 후 전기저항을 측정하여 표기한 것이다.
일반적인 투명전도막의 성능조건을 약 100Ω 이하로 전제시, 중간층을 형성하지 않은 AZO 투명전도막의 경우 20시간 내외를 경계로 전기적 성능이 파괴되는데 반해, 본 발명에서와 같이 Al2O3를 중간층으로 형성시킨 경우는 약 40시간에 가까운 두배 이상의 사용시간을, 또한 SiO2 박막을 형성시킨 경우는 약 80시간에 가까운 네배 이상의 전기저항 유지특성이 확인되어 본 발명의 유효성을 확인할 수 있다.
본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 폴리머 기판과 세라믹 투명전도막(AZO)과의 기계적인 밀착력을 향상시켜 수명을 증가시키고, 폴리머 기판으로부터 투명전도막으로 확산침투되는 가스를 차단하는 효과가 있다.
Claims (4)
- 산화아연을 95중량%로 하며, 전하운반을 위한 불순물(dopant)로서 알루미늄(Al)을 5중량%로 하는 투명전극재료를 건식법(진공증착법 또는 스퍼터링법)으로 형성시키는 구조에 있어서,모재(10)를 폴리머로 사용하고, 상기 모재(10)와 산화아연 물질의 투명전도막(30) 사이에 세라믹재료로 중간층(20)을 형성시키되, 상기 모재(10)는 100 ~ 300㎛ 두께범위의 폴리에테르술폰(Poly Ether Sulfone; PES) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalte; PET) 물질로 구성되고, 상기 중간층(20)의 세라믹재료는 0.05 ~ 1.0㎛(= 50 ~ 1000nm)의 범위의 두께를 갖는 이산화규소(SiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기판과 투명전도막 사이에 세라믹 중간층 구조를 갖는 투명전극 기판.
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